Hållfasthet är ett materials förmåga att motstå belastning utan att deformeras permanent eller gå sönder. Den beskrivs som spänning, alltså kraft delat på tvärsnittsarea, och mäts i megapascal (MPa) eller det likvärdiga newton per kvadratmillimeter (N/mm²). Begreppet är centralt i all industriell konstruktion, eftersom det avgör hur mycket last en komponent i stål, trä eller andra material klarar innan den skadas.
Så mäts hållfasthet
Hållfasthet bestäms genom att en provbit belastas i en dragprovningsmaskin tills den töjs och till slut går av. Under provningen registreras sambandet mellan spänning och töjning, och ur den kurvan läser man ut materialets viktigaste hållfasthetsvärden.
De två mest centrala beteckningarna är:
| Beteckning | Innebörd |
|---|---|
| Sträckgräns (Re eller Rp) | Spänningen där materialet börjar deformeras permanent, det vill säga inte längre återgår till sin ursprungliga form när lasten tas bort |
| Brottgräns (Rm) | Den högsta spänning materialet klarar innan det går av |
Ett konstruktionsstål kan till exempel ha en sträckgräns på ungefär 235 MPa och en brottgräns på ungefär 360 MPa, medan höghållfasta stålsorter kan nå sträckgränser långt över 700 MPa. Skillnaden mellan de två gränserna, ofta kallad duktilitet, säger något om hur mycket varning en konstruktion ger innan den går sönder: ett material med stor marginal mellan sträckgräns och brottgräns deformeras synligt innan det brister, medan ett sprött material kan gå av med liten förvarning.
I formelsammanhang betecknas spänningen ofta med den grekiska bokstaven sigma (σ) och töjningen med epsilon (ε). Provstaven, vanligen en rund stång med känd tvärsnittsarea, belastas stegvis medan stångens förlängning mäts, och sambandet mellan sigma och epsilon ritas upp som en spännings-töjningskurva. Var på den kurvan sträckgränsen hamnar kan variera inom ett ganska brett spann även för samma stålsort, beroende på legering och tillverkningsprocess.
Hållfasthet och elasticitetsmodulen är inte samma sak
Ett vanligt missförstånd är att blanda ihop hållfasthet med styvhet. Styvheten beskrivs av elasticitetsmodulen (E-modulen) och anger hur mycket ett material töjs elastiskt under en given last, alltså materialets förmåga att fjädra tillbaka. Stål har en E-modul på ungefär 210 000 MPa oavsett legering, medan sträckgränsen kan variera kraftigt mellan olika stålsorter. Två stålsorter kan alltså vara lika styva men ha helt olika hållfasthet, och ett material kan i teorin ha hög hållfasthet men låg styvhet.
Vad påverkar ett materials hållfasthet
Hållfastheten hos ett material bestäms av flera faktorer som går att styra i tillverkningen:
- Kemisk sammansättning. Legeringsämnen som kol, krom och nickel förändrar stålets mikrostruktur och därmed dess sträckgräns och brottgräns.
- Värmebehandling. Härdning, anlöpning och glödgning ändrar materialets kornstruktur och kan höja eller sänka hållfastheten beroende på syfte.
- Bearbetningsmetod. Kallbearbetning, till exempel kalldragning eller kallvalsning, ökar ofta hållfastheten men minskar samtidigt duktiliteten. Varmbearbetning ger normalt lägre hållfasthet men bättre formbarhet.
- Temperatur. De flesta metallers hållfasthet sjunker med stigande temperatur, vilket är avgörande att räkna med i konstruktioner som utsätts för värme.
Önskad hållfasthet uppnås alltså sällan genom en enda åtgärd, utan genom rätt kombination av legering, värmebehandling och bearbetningsmetod för det aktuella användningsområdet.
Hållfasthet i olika material: stål, trä och skruvförband
Hur hållfastheten anges och vad som påverkar den skiljer sig mellan olika produkter och materialtyper.
Stål klassas efter sträckgräns och brottgräns enligt svensk och europeisk standard (SS-EN), där beteckningen ofta innehåller sträckgränsen direkt i namnet. Legeringen avgör slutresultatet, och skillnaderna mellan olika stålsorters mekaniska egenskaper beskrivs närmare i vår genomgång av rostfritt stål.
Trä har en hållfasthet som varierar kraftigt med fiberriktning, fuktkvot och träslag. Belastning längs fibrerna ger betydligt högre hållfasthet än belastning vinkelrätt mot dem, vilket är en av anledningarna till att konstruktionsvirke hållfasthetssorteras innan det används i bärande delar.
Skruvförband hållfasthetsklassas med en tvåsiffrig beteckning, till exempel 8.8 eller 10.9, där siffrorna anger brottgräns respektive förhållandet mellan sträckgräns och brottgräns. Rätt hållfasthetsklass väljs utifrån vilken last förbandet ska klara.
Kompositmaterial som kolfiberlaminat kan nå mycket hög hållfasthet i förhållande till vikten, vilket beskrivs närmare i artikeln om kolfiberlaminat.
Dimensionerande hållfasthet i konstruktioner
I praktisk konstruktion räknar man aldrig mot materialets faktiska sträckgräns eller brottgräns rakt av. I stället används en dimensionerande hållfasthet, där man delar materialets hållfasthetsvärde med en säkerhetsfaktor för att ta höjd för osäkerheter i last, tillverkning och materialegenskaper. Konstruktören beräknar sedan vilka påkänningar konstruktionen faktiskt utsätts för under drift och jämför dem mot den dimensionerande hållfastheten, med marginal kvar innan gränsen nås. Samma princip ligger bakom besiktningskraven för tryckbärande utrustning, där hållfastheten hos materialet är en av utgångspunkterna i beräkningen, något som tas upp i artikeln om tryckkärl.
Hållfasthet eller hållfastighet – vilket är rätt?
Den korrekta stavningen är hållfasthet. Hållfastighet förekommer ofta i tal och skrift men saknar stöd i Svenska Akademiens ordlista. Sammanblandningen beror sannolikt på att ordet ljudmässigt påminner om fastighet, trots att de två orden inte har något gemensamt ursprung.
Hållfasthet, styvhet och hårdhet – tre olika egenskaper
Utöver hållfasthet och styvhet talar man ofta om hårdhet, som är ett mått på ett materials motstånd mot att repas eller få ett bestående märke vid lokal belastning, till exempel med en indenter i ett hårdhetsprov. Ett material kan vara hårt utan att vara särskilt hållfast, och tvärtom. De tre egenskaperna hänger ofta ihop i praktiken, men beskriver olika sätt som ett material reagerar på belastning: hållfasthet handlar om brott, styvhet om deformation under last, och hårdhet om motstånd mot lokal påverkan.
Så testas hållfasthet i praktiken
Utöver dragprovning i laboratorium förekommer oförstörande provning av hållfasthet direkt på färdiga komponenter och konstruktioner, till exempel vid byggutredningar eller kontroll av befintliga stålkonstruktioner. Sådan provning kan omfatta ultraljudsmätning av godstjocklek, hårdhetsmätning som räknas om till en uppskattad brottgräns, eller belastningsprov där konstruktionen utsätts för en kontrollerad last medan deformationen mäts.
Vanliga misstag vid hållfasthetsberäkning
Ett återkommande misstag är att blanda ihop sträckgräns och brottgräns när en konstruktion dimensioneras, vilket kan ge en falsk känsla av marginal. Ett annat är att bortse från hur temperatur och belastningstid påverkar hållfastheten, särskilt i material som krymper i hållfasthet vid långvarig last (krypning) eller vid förhöjd temperatur. Att använda fel hållfasthetsvärde för fel bearbetningstillstånd, exempelvis ett värde för glödgat material på en kallbearbetad detalj, är också en vanlig felkälla som kan leda till att en konstruktion underdimensioneras.